Elektronski i optički uređaji koje svakodnevno koristimo, kao što su mobilni telefoni, LED diode i solarne ćelije, koriste tranzistore i druge delove koji su sve manji i kompaktniji. Sa stalno rastućom potrebom za računarskom snagom, skladištenjem i energetskom efikasnošću, ovaj trend će se nastaviti samo do novih ekstrema.
Proizvodnja tako malih komponenti za elektronske uređaje zahteva mašinsku obradu i pripremu struktura na submikronskim skalama, do stotinama puta manjih od širine ljudske kose. Ali sadašnje metode za nanofabrikaciju površina koriste fotolitografiju i litografiju e-zraka – metode koje su komplikovane, izuzetno skupe, generalno nepristupačne i zahtevaju visok nivo stručnosti.
Laserski indukovana periodična površinska struktura (LIPSS) je označena kao nova i perspektivna alternativa ovim metodama. U LIPSS-u, femtosekundni laseri se koriste za isporuku ultrakratkih laserskih impulsa koji spontano dovode do formiranja periodičnih šara na površini koji su mnogo manji od talasne dužine lasera.
Dobro poznati parametar u LIPSS-u je izbor talasne dužine lasera, što direktno utiče na periodičnost formiranih struktura. Međutim, ostali parametri su ostali neproučeni. Najveće brige u vezi sa standardizovanom upotrebom LIPSS-a uključuju kvalitet formirane površinske strukture, odnosno kristalnost supstrata, potencijal za defekte i deformacije. Da bi se dosledno proizvodio LIPSS sa kontrolisanim svojstvima i karakteristikama za specifične primene, od ključnog je značaja razumeti koji laserski izvori treba da se koriste za koje posebne potrebe.
Da bi se detaljnije odgovorilo na ova pitanja, japanska istraživačka saradnja koju su predvodili naučnici sa Tehnološkog instituta u Nagoji, sada je direktno istražila različite parametre na koje utiče izbor lasera. Rad, u saradnji sa Univerzitetom u Osaki, Univerzitetom Tokai, Univerzitetom u Kjotu i Japanskom agencijom za atomsku energiju (JAEA), vodili su docent Reina Miiagava sa Tehnološkog instituta u Nagoji, zajedno sa vanrednim profesorom Norimasom Ozakijem sa Univerziteta u Osaki i prof. Masaki Hašida sa Univerziteta Tokai, koji je takođe istraživač na Univerzitetu Kjoto. Njihovi nalazi su objavljeni u Scientific Reports.
„U našoj studiji, izabrali smo silicijum kao supstrat, jer je to materijal koji se koristi u mnogim optoelektronskim uređajima širom sveta, kao što su tranzistori, mobilni telefoni i solarne ćelije“, objašnjava dr Mijagava.
Istraživači su koristili dva različita femtosekundna lasera na podlozi. U jednom eksperimentu, laserski sistem od titanijuma i safira (Ti:Sapphire) sa impulsima od 0,8 µm korišćen je za strukturiranje silicijuma pri energijama većim od energije pojasnog pojasa. U drugom eksperimentu, istraživači su koristili laser sa slobodnim elektronima na srednjim infracrvenim impulsima od 11,4 µm, koji je mogao da ispita efekat pri energijama nižim od energije zazora uzorka.
Analiza LIPSS uzoraka je urađena i mikroskopski i makroskopski. Mikroskopska kristalnost i čistoća su proučavani primenom transmisione elektronske mikroskopije (TEM), dok je makroskopska analiza deformacije i stabilnosti šire strukture ispitivana primenom sinhrotronske visokoenergetske difrakcije rendgenskih zraka (KSRD).
„Kada je korišćen Ti:Safirni laser, uočeni LIPSS je zadržao visoko kristalnu prirodu silicijuma, ali izgledalo je da je preuzeo neke zaostale naprezanja. Nasuprot tome, LIPSS koji je formiran od strane srednjeg infracrvenog lasera sa slobodnim elektronima doveo je do nekih jasno vidljivi defekti. Međutim, nije bilo nikakvog uočljivog naprezanja sistema“, dodaje dr Mijagava.
Ova studija predstavlja prvi izveštaj o mikroskopskim i makroskopskim zapažanjima kristalnosti u LIPSS-u u visokoj rezoluciji korišćenjem sinhrotronske difrakcije rendgenskih zraka visoke energije. Nalazi ukazuju na to kako LIPSS može biti podešen i skrojen za specifične primene manipulisanjem njegovim defektima, naprezanjem i periodičnošću, kroz odgovarajući izbor lasera.
Kontinuirano istraživanje na ovim linijama može otvoriti put ka širokoj primeni LIPSS-a kako bi se postigla isplativa, jednostavna i pristupačna proizvodnja nanostrukturiranih površina za primenu u širokom spektru optoelektronskih uređaja.
